Layer-specific multiscale mechanical modeling of arterial structures with evolving fiber configurations
Modélisation mécanique multi-échelle des tuniques de la paroi artérielle à partir de l'évolution des réseaux de fibres organiques
Résumé
Arterial tissues are made of variously organized collagen and elastin networks and exhibit a highly nonlinear anisotropic behavior with the ability to sustain large reversible strains and to undergo a load-induced progressive morphological rearrangement of the microstructure. In the present study motivated by these specificities of arterial mechanics, we developed a detailed multi-scale model of the arterial wall. The framework of finite strain continuum micromechanics was employed in an incremental approach to compute stress, strain, and fiber reorientations. The extensions of Eshelby’s matrix-inclusion problem allowed for deriving analytical expressions for the concentration tensors, which relate the macroscopic strain rate tensor to phase-averaged strain rate and vorticity. The model accounts for the universal patterns across different scales in the two mechanically significant layers of arteries, namely the adventitia and the media. Furthermore, the multi-scale constitutive model was implemented in a non-linear finite element formulation to solve the structural model of the artery. The model was validated against different experimental data sets on arterial samples from different species. The results show that the model is able to estimate the contribution of each component into the macroscopic response of the tissue for different loading and can predict both the macroscopic response and microscopic fiber kinematics accurately. We submit that such model would help in predicting the evolution of the mechanical tissue response overtime during, for instance, remodeling and growth or damage.
Les tissus artériels sont constitués de réseaux de collagène et d'élastine diversement organisés et présentent un comportement anisotrope hautement non linéaire ainsi que la capacité de supporter de grandes déformations réversibles. Ces dernières s'accompagnent d'un réarrangement progressif des réseaux de fibres induit parle chargement. Dans cette thèse, l'important couplage entre la morphologie de la microstructure artérielle et sa réponse mécanique nous a motivé à développer un modèle multi-échelle détaillé de la paroi artérielle. Le cadre de la micromécanique des milieux continus a été utilisé dans une approche incrémentale pour calculer la contrainte, la déformation et les réorientations de fibres. Les extensions du problème d'inclusion de la matrice d'Eshelby permettent d'obtenir des expressions analytiques pour les tenseurs de concentration, qui relient le tenseur de vitesse de déformation macroscopique à la vitesse de déformation et à la vorticité moyennés sur les phases. Nous avons modélisé séparément le comportement de l'adventice et de la média, avant de proposer un modèle complet pour l'artère. De plus, le modèle de comportement multi-échelle a été implémenté dans une formulation éléments finis non linéaire, afin de réaliser des calculs de structure sur l'artère. Le modèle a été validé par différents ensembles de données expérimentales sur des échantillons artériels de différentes espèces. Les résultats montrent que le modèle est capable d'estimer la contribution de chaque tunique dans la réponse macroscopique du tissu pour différents chargements et peut prédire avec précision à la fois la réponse macroscopique et la cinématique microscopique des fibres.
Domaines
Autre| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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